Адаптивное Согласование Импедансов или "Вечный" Резонанс Токов В Системе Усилитель Мощности Звуковой Частоты – Акустическая Система

Шевгота С. А. 28.03.2005 г.

"Электротехника без резонанса
– пустая трата энергии"
Николо Тесла
1890г.

Описывается принцип согласования генератора – источника
сигнала с нагрузкой, имеющей динамически изменяющийся
комплексный характер полного сопротивления

И так, наш новый усилитель мощности подключен. Все шнурочки подсоединены, разъёмчики вставлены, колоночки подключены... Включаем!

Класс! Звук - супер! Низа, верха... Ух!!!

Теперь другой трек. Класс! Да! Теперь сделай по-тише, как-то давит на уши. Оно и понятно: моща! И ещё чуть тише. Вот так, в самый раз. А ну, что-нибудь другое. Нет, давай ещё что-нибудь. Ладно, пока хватит. Потом послушаем.

А потом, как-то не сразу, но замечаешь, что всё реже хочется включать музыку, а рука сама тянется к регулятору, чтобы сделать тише, а долго слушать музыку утомительно.

Так в чём же дело? Почему же наш такой хороший усилитель мощности, к которому и претензии то предъявить сложно, не радует? Ведь в нём всё идеально: схема усилителя, искажения, полоса, мощность. Всё по последнему слову техники!

А вот у друга, хиленький ламповый самопальный усилитель мощности - и, понимаешь, звучит!!! На нём практически любую музыку слушаешь, и забываешь о чём думал!

Меряем - о ужас! Что-то около 5% искажений. Что-то около 15 вт. в канале... Смотреть не на что. А ведь звучит!

И так в чём же дело?

Статей уж сколько понаписано! А схем сколько нарисовано! Почему же усилитель звука такой загадочный? И что же делать, что бы наш усилитель мощности действительно звучал так, как должен звучать правильный усилитель звука?

Может всё, связанное со звуком - мистика? Пляски с бубном в полнолуние?

Но есть одно интересное решение! Только давайте по порядку.

Чаще всего хороший ламповый усилитель мощности звучит реалистичнее и точнее, чем хороший транзисторный. Но что же отличает их, кроме элементной базы?

Само по себе количество искажений ничего не говорит о качестве звука. Для объяснения природы "транзисторного" звучания написаны тысячи статей, хотя следует заметить, что ламповые усилители тоже звучат все по-разному. И, представляется очевидным, что имея в целом более предпочтительное звучание, сочетание параметров, при которых такое достигается, создаётся как бы случайно, объективно мало зависящее от воли разработчика.

Такое положение дел создало тысячи мифов и откровенного бреда по поводу золотых проводников, мраморных подставок и направлений проводов. Но речь не об этом.

Нас интересует, что же, кроме элементной базы, так радикально отличает транзисторный и ламповый усилитель мощности?

Ответ прост: выходное сопротивление усилителя мощности. Но... Давайте проанализируем ситуацию.

На сегодня считается стандартом выходное сопротивление усилителя делать возможно меньшим, АЧХ по напряжению должна быть линейной и т.п., следовательно, мощность усилителя обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки.

Последние лет 10 - 15 серьёзная полемика разгорелась по поводу усилителей с токовым выходом, то есть усилителей с большим выходным сопротивлением. У этих усилителей также присутствует линейное изменение отдаваемой мощности при изменении сопротивления нагрузки, но уже прямо пропорциональное. То есть при росте сопротивления нагрузки, отдаваемая мощность растёт.

Но самое банальное в истории "усилитель мощности – акустическая система" есть то, что истина находится точно посередине. Возвращаясь к основам электротехники, следует вспомнить, что для максимальной передачи мощности от генератора к нагрузке необходимым и достаточным условием является равенство их внутренних сопротивлений

Rген = Rн

При этом их реактивности равны с противоположным знаком

Zген = - Zн

Что же есть на самом деле? А на самом деле есть полное пренебрежение основ электротехники. Хотя в одной книге автор прямо заявил, что к усилителям мощности звуковой частоты это не относится.

Но почему же?

Ведь в ламповом усилителе с помощью трансформатора пересчитывается очень большое внутреннее сопротивление анодной цепи к нагрузке, получая довольно точное согласование по активной составляющей. И, кроме того, согласно теории связанных контуров (где частным случаем является трансформатор), все реактивности первичных цепей являются приведёнными к нагрузке со знаком (-).

И это и есть самое коренное отличие между ламповым и транзисторным усилителем мощности!

Т.е., Rвых лампового усилителя выше, чем у транзисторного, и, что в корне их отличает, нагрузочная кривая лампового усилителя мощности горизонтальна в довольно большом диапазоне возможных сопротивлений нагрузки.

Другими словами, ламповый усилитель с трансформаторным выходом является в некотором роде генератором мощности, в то время как типовой транзисторный усилитель – это генератор напряжения с прямой зависимостью тока в нагрузке от её сопротивления, и, соответственно, с линейным изменением отдаваемой мощности при изменении сопротивления нагрузки. Или же - генератор тока, если усилитель мощности с токовым выходом, что меняет знак, но не меняет сути проблемы.

И именно это обстоятельство является ключевым отличием как ламповых и транзисторных усилителей мощности, так и правильности их согласования с нагрузкой!

А теперь уделим внимание акустике. Что же мы имеем? В полном комплексном представлении громкоговорителя присутствует активная составляющая звуковой катушки, её индуктивная составляющая, сопротивление упругости подвеса, его инерционность и гибкость. Кроме того, здесь присутствуют резонансные явления в корпусе, в фазоинверторе, а также реактивности дополнительных полосовых фильтров.

Это сложная резонансная система с крайне непостоянным импедансом (комплексным сопротивлением) как в диапазоне частот, так и в динамическом диапазоне. И если в диапазоне частот импеданс можно как-то измерять, то предсказать поведение комплексного сопротивления при воздействии сложного гармонического сигнала становится проблематичным.

Кроме того, нагревается звуковая катушка, довольно значительно меняя при этом своё активное сопротивление буквально за четверть периода изменения тока.

Но если стабилизировать только какую-либо одну величину подаваемого сигнала, напряжение, ток или выходное сопротивление, - мы всё равно получаем целый букет самых разнообразных искажений, существенно влияющих на точность электромеханического преобразования.

Вот мы и подобрались к сути предлагаемого решения. Идея его состоит в том, чтобы создать условия, при которых согласование "усилитель мощности - акустическая система" будет выполняться всегда.

Это изобретение я назвал "Адаптивное согласование импедансов", или "Вечный резонанс", который и обеспечивает согласование генератора – источника сигнала с нагрузкой, имеющей динамически меняющийся, комплексный характер сопротивления, согласно правилам электротехники

Rген = Rн

Zген = - Zн,

во всей полосе рабочих частот.

Для понимания механизма согласования давайте представим акустическую систему как активное сопротивление, индуктивное или ёмкостное в каждый отдельный момент времени.

Для синусоидальной формы сигнала условием компенсации индуктивной или ёмкостной составляющей есть так называемый резонанс токов. То есть, это параллельный резонансный контур, состоящий из ёмкости и индуктивности, комплексные сопротивления которых для резонансной частоты равны. По условию резонанса параллельного контура имеется следующее: фаза тока в цепи конденсатора опережает фазу напряжения на 90⁰, фаза тока в цепи индуктивности отстаёт от фазы напряжения на 90⁰.

При идеальном согласовании вкачать энергию в идеальный контур невозможно. Но, если предположить возможность создания резонанса токов применительно к паре усилитель мощности – акустическая система, то следует ожидать преобразования между ними только активной энергии, так как вся реактивная составляющая будет скомпенсирована, а энергетические изменения параметров источника (генератора) будут без потерь переданы в активную составляющую нагрузки.

Реализация идеи состоит в измерении направления мощности в нагрузке и создания антиреактивности (- Z ) параллельно нагрузке, т.е. создание резонанса токов в системе генератор – нагрузка.

Работает это следующим образом.

Сравнивая напряжение на нагрузке с напряжением на датчике тока через нагрузку, мы получаем напряжение разбаланса, пропорциональное изменению фазы тока. Создавать резонанс токов в такой системе получается простой подачей напряжения разбаланса в цепь ООС (см. рис). В результате, на сигнал отставания фазы тока в нагрузке от фазы напряжения генератор реагирует опережением фазы через себя так же, как ёмкость, подключенная параллельно индуктивности. И, так же, наоборот, при ёмкостном характере нагрузки ток через неё начинает опережать фазу напряжения, а генератор реагирует на это отставанием фазы напряжения, стабилизируя соотношение XL = - XC; выполняя тем самым условие Zген = - Zн.

Другими словами, при любом сочетании параметров нагрузки мы имеем резонанс токов.

Далее: схема сравнения, сбалансированная по активной составляющей, на изменение активного сопротивления нагрузки реагирует как отрицательная обратная связь по току. Стабилизируя тем самым параметр Rген = Rн.

Поскольку мы имеем дело с широкополосным импульсным шумовым сигналом и соответственно реагирующей меняющейся нагрузкой, то, применительно к усилителю мощности, мы имеем систему адаптивного согласования импедансов усилителя мощности и его нагрузки во всём спектре усиливаемых и воспроизводимых частот и во всём диапазоне изменений импеданса акустической системы.

Имея резонанс токов между УЗЧ и АС, мощность, передаваемая в нагрузку есть активная. При этом устраняются искажения как нелинейные, так и интермодуляционные, связанные с потерями в реактивностях системы, а также динамическим изменением активного сопротивления звуковой катушки громкоговорителя.

На практике удобнее сравнивать напряжение на датчике тока через нагрузку и входное напряжение. В таком случае схема сравнения отслеживает также все виды искажений самого усилителя. А поскольку действует она компенсационным методом, мы получаем также уменьшение всех видов искажений всего устройства вплоть до 0. Ограничением здесь может быть разве что быстродействие системы, правильность монтажа и т.п.

Вариант практической реализации модуля адаптивного согласования импедансов изображён на рисунке:

На ОУ1 собран буферный каскад. Собственно, сам модуль собран на ОУ2. Он представляет собой сумматор входного сигнала и сигнала с токового датчика R10. Условием для точной балансировки схемы есть равенство коэффициента усиления усилителя мощности, определяемого соотношением R9/R3, и соотношения активного сопротивления акустической системы и токового датчика R10. При отсутствии разбаланса между входным сигналом и сигналом с датчика, ОУ2 на работу усилителя не влияет. При появлении на датчике тока напряжения, не соответствующего входному, на выходе ОУ2 формируется сигнал ошибки, поступающий на сумматор на входе усилителя мощности, меняя параметры входного сигнала в соответствии с требованиями адаптации к параметрам акустической системы параметров усилителя мощности.

Ещё одна важная деталь: в условиях адаптивного согласования отсутствует такое явление как реактивный ток через малое выходное сопротивление оконечного каскада, который при классической схеме заставлял разработчиков создавать оконечные каскады с многократным запасом по току и рассеиваемой мощности. А, следовательно, можно создавать оконечные каскады усилителя мощности, просто посчитанные для работы на активную нагрузку (практически так как и при расчёте ламповых усилителей), при этом требования к источнику питания тоже оказываются попроще.

           Возвращаясь к вопросу точности воспроизведения, "ламповых" и "транзисторных" звучаний, можно утверждать, что создание адаптивного согласования импедансов позволяет полностью разрешить эту полемику в пользу современных транзисторных и твердотельных усилителей мощности звуковой частоты, как более точных, технологичных, и имеющих более высокие и предсказуемые качественные характеристики.

К описанию звучания усилителей, реализующих данный алгоритм согласования, подходит описание любого лампового хайэндовского аппарата мощностью того же порядка. Только полоса частот пошире, прорисовка деталей поточнее, детальность воспроизведения, особенно в низовой части спектра, вне конкуренции, пространственная картина поражает любое воображение, какая-либо окраска звука отсутствует полностью.

При полностью отсутствующем темброблоке и в голову не приходит крутить какие-либо ручки кроме громкости. Кажется, что режиссёр при сведении именно такое и задумывал звучание. Потрясает всеядность: после того как музыка зазвучала рука не поднимается её выключить независимо от музыкального материала, и, кажется, совсем не громко и не надоедает, и хотя ушам временами больно, сделать хочется ещё громче. А когда по осциллографу уже явно видно ограничение сигнала по амплитуде, эти искажения вроде бы и жить не мешают, только звук становится чуть жёстче и плотнее.

Применение "вечного резонанса" не ограничивается областью "усилитель мощности звуковой частоты - акустическая система". Подобная система применима в устройствах управления, где предъявляются особые требования к точности передачи мощности в нагрузку, имеющую реактивный характер.

Схемная реализация данного алгоритма не ограничена реализацией, приведённой в статье. Это может быть инструментальный усилитель с последующим суммированием на дифференциальных входах усилителя мощности, полностью транзисторный сумматор, пассивный сумматор с буферным каскадом, трансформатор и всё прочее, выполняющее описанный алгоритм.

Представляет интерес применение модуля адаптивного согласования импедансов в готовых усилителях. На момент написания этой работы данный алгоритм реализован в нескольких готовых аппаратах с выходной мощностью от 50 до 600 ватт на канал с неизменно потрясающими результатами.

Применяя на корпоративных вечеринках усилитель мощности, доработанный по принципу "Адаптивного согласования", были отмечены такие особенности, как возможность работать при намного больших уровнях громкости, при которых микрофоны не "заводятся", и такое явление как "немешающий звук". Это когда звук в зале чистый и комфортный, но косточки в теле вибрируют.

В заключение, кажется, следует заявить об очередной смерти ламповой звукотехники. Но музыка – это не радиодетали. Важно не то, на каких компонентах реализуется усилитель для звука, а то, насколько правильно протекают процессы в работающем усилителе мощности.

Проблема стыковки усилителя мощности звуковой частоты и акустической системы со времён появления бестрансформаторных транзисторных усилителей имеет решения, направленные только на стандартизацию. Так проще. Так всё продаётся и взаимозаменяется. Но звук - не торговля. Звук - искусство. Когда от звука замирает сердце и по спине мурашки - это души человеческие разговаривают через Космос. Это резонанс. И не только "радиотехника без резонанса - пустая трата энергии", музыка, когда души молчат, и не музыка вовсе, а так, пустая трата энергии.

"Вечный резонанс" позволяет радикально решить проблему хорошего звука, а предложенная реализации адаптивного согласования импедансов позволяет строить настоящие усилители звука и звукоусилительные системы высочайшей верности звукопередачи.

Шевгота Сергей Альбертович  

28.03.2005 г.      

P.S.

- Ну и как?

- Не мешай.

- Ты же такое никогда не слушаешь!

- Отстань! Видишь, слушаю!

- Так это ж...

- Музыка! Музыка! А-а-а!.. Блин, ни-фи-га себе! Никогда не думал, что я буду ЭТО когда-нибудь слушать! Там, внутри, столько музыки!!! И что, это всё делает усилитель звука?

- Да вообще то, как бы там музыканты играют, поют. Студия звукозаписи, и всё такое...

- ???!!!...